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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
Plan
•Machines synchrones avec et sans aimant permanent
•Machines à réluctance variable
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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
Machines synchrones avec et sans aimant permanent
Même démarche de dimensionnement :
•stator à dimensionnement en D2L
•rotor en continu donc f=0 et Pfer =0
•couple Ge ws = 3V.I.cosj.h
Machine à rotor bobiné
Machine à pôles lisses :entrefer e=cste
Peu de différences avec une machine
asynchrone sauf rotor bobiné en courant
continu et que la fmm rotor peut sur ou sous
excité la machine selon j de charge.
La magnétisation principale est rotorique à
forte constante de temps tr et contrebalance la
réaction d ’induit (statorique à t s faible) qui
peut aussi être magnétisante (intérêt en
commande vectorielle)
Stator
Rotor
Exemple type turbo alternateur
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Calcul de la f.e.m. à vide c ’est à dire Ev(J)
Méthode : la même que pour le calcul de Xm de la MAS mais en remplaçant Iµ (courant à vide
traversant Xm) par J.
Partir de V≈E ð Fm/pôle ð SHl=NrJ ð un point de Ev(J)
Nota : ne pas oublier Ffuites rotor
Calcul de J excitation en charge c ’est à dire Nf.J max pour charge fixée
A) si ni saturation ni fuite ð Behn Eschenburg
Rs
Xd
I
Sur une phase, en moteur :
Fs crée par I stator.
E v(J)
V
Xd se calcule à partir de B(q) donc fmm(q) due
aux trois phases
Φ / phaseω
Xd =
I
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B) si saturation et fuites ð Potier
l : fuite stator
Rs
lwI
I
ER : fem résultante de iR avec :
r
r
r
i R = J + αI
Réel
rotor
E R(J+aI)
Réaction
d ’ induit
Exemple en moteur avec j avance :
aI
V
iR
J
I
j
V
EV
lwI
ER
Rs.I
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Terme fondamental de la force magnétomotrice /pôle au stator ramené à l ’excitation :
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1
N s k bs I 2
= αI 2 N r k br
π2
2p
2p
Fmm 3j /pôle stator= fmm/pôle rotor avec I 2
kbs : Coefficient bobinage stator
Ns : nombre de spires par pôles et par phase stator
kbr : Coefficient bobinage inducteur
Nr : nombre de spires par pôles et par phase inducteur
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Détermination des éléments a et l
On mesure R
On relève à la vitesse nominale :
•La caractéristique à vide E(J) avec ici J courant excitation
•La caractéristique en court-circuit Icc(J)
•un point en déwatté c ’est à dire débit de l ’alternateur sur récepteur très inductif. On mesure Idw,
Jdw, Vdw (doit permettre d ’être au delà du coude de saturation)
r
r
r
r
E r = V + R I + j λI
En court-circuit
Er ≈ λI
J ≈ J r + αI
En déwatté
Er ≈ V + λI
J ≈ J r + αI
Relations algébriques
Jr correspond sur la caractéristique à vide réelle au courant d ’excitation pour E r.
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Si de M(Jdw,Vdw) on fait une translation
horizontale de -aIdw, on passe en S de
coordonnées (Jdw-aIdw, Vdw).
Si de S on fait une translation verticale de lIdw,
on va en T de coordonnées (Jrdw,
Vdw+lIdw=Erdw
Le point T pour lequel la fem E r est celle
correspondant au courant d ’excitation Jr sur la
caractéristique à vide mais sans savoir où.
On pointe sur l ’axe à tension nulle le point M ’
tel que OM ’ soit égal au courant d ’excitation
qui en court-circuit donne un courant Icc dans
l ’induit égal à Idw.
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Si de M ’ on fait une translation de -aIdw, on
passe en S ’ de coordonnées (Jcc -aIcc =Jrcc ,0).
Si on fait une translation de lIdw, on passe de
S ’ à T ’ de coordonnées Jrcc ,0+lIcc=Ercc
T ’ est sur la caractéristique à videsur la partie
linéaire mais on ne saît pas où.
Or Icc = Idw donc
M ’S ’=MS et S ’T ’=ST
Si on translate la construction faite à partir de
M ’ de manière à ce que M ’ vienne en M,
OM ’ devient O ’Met OX devient OX ’.
La double translation MS puis ST doit amenr
sur E(J) et la double translation M ’S ’=MS et
S ’T ’=ST doit amener sur OX ’. On doit donc
e trouver sur l ’intersection.
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Construction
On pointe sur M. On porte MO ’ par une
translation horizontale à -Jcc (courant
d ’excitation qui en court-circuit donne Icc =Idw).
On trace OX ’ parallèle à la tangente à
l ’origine à la caractéristique à vide.
L ’intersection de O ’X ’ avec E(J) donne le
point T et donc
α=
SM
I dw
ST
I dw
λ=
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Machine à pôles saillants
Entrefer variable, avec ou sans saturation + fuites
Blondel - théorie des deux axes
Notons Y le déphasage de I en arrière de E J. L ’axe de la fmm E I est alors décalé de p/2+Y en
arrière de E J
D
EJ
-p/2
0
p/2
Ed
Es
Es
Eq
Ed
Y
Eq
Y
axe Q
axe Q
axe D
=E
E q
E
d
s
Q
cosψ
= E s sinψ
Décomposition de la fmm sur les deux axes- Réaction d ’induit en alternateur -p/2<Y<p/2
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Q
D
P/2
électrique
D
S
N
Q
ie x
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Pour une phase stator :
• Frd du au courant résultant longitudinal Jrd=J+aIsinY (axe D). On a : E rd = E sd + E J
• Fq du au courant transversal k ’a IcosY (axe Q)
• FT du au courant résultant JT.
En alternateur
et
E c = V + Rs . I = − jλωI + Eq + Erd
Fv
E sd
E q + E rd = E T = V + (R s + jλω )I
E v(iv)
axe D
Y
Es
E sq
Ev
axe Q
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axe D
aI
Jv
Ev
Jrd
Fq
C
FT
JT
Erd
Frd
Eq
ET
q
j
A
V
axe D
B
l.I
R.I
Y
I
ψ =θ +ϕ
q angle interne entre Ev et V.
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Noter que
FT n ’est pas en phase avec JT à cause des perméances d ’entrefer différentes.
On passe de Erd à Jrd comme de Jex à Ev par Ev(Jex).
A J excitation sur axe D correspond Ev sur axe Q
On pose :
Eq = − jX aq I cosψ = − jX aq I q
X aq + λω = X q
E rd = − jX ad I sinψ = − jX ad I d
X ad + λω = X d
S ’il n ’y a pas saturation, en alternateur
Sur axe D
Φ rd = Φ ex + Φ d
E rd = E ex + E d
V + Rs I = − jλωI + E q + Ed + E v = − jλωI − jX ad I d − jX aq I q + Ev
Ev = V + R s I + jX d I d + jX q I q
Diagramme des deux réactances synchrones
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Schéma équivalent par phase = 1 par axe
Axe D
Id
lw
Rs
Xad
Vd=Vsin q
Ev
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Enroulement rotor ramené au stator
R'r
Jexcitation
x'rf
Vexcita tion
+ amortisseurs axe D
R"d
x"d
On remplace l amortisseur réel à cage
généralement par deux circuits équivalents.
Ils n ’interviennent que pour les
subtransitoires car constantes de temps très
faible
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Axe Q
Iq
lw
Rs
Xaq
Vq=Vc osq
R" q
x"q
+ amortisseurs axe Q
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Le calcul de Xad et Xaq se fait comme pour le calcul de Xm pour une machine asynchrone. Ou plus
simplement par le calcul de la fmm E s que l ’on décompose en E d et E q et que l ’on compose avec
la perméance P (qs) selon chaque axe.
Avec E (qs) => Fd et Fq par pôle => Y d et Y q par phase et on ajoute les fuites lw aux Xad et Xaq.
Calcul de la fmm triphasée en régime non saturé avec entrefer e=cste pour tout q
Hyp : 1 seul conducteur par pôle et
par phase avec une seule phase
alimentée
- p/2 A
Fm m
(C)
0
p /2 A
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pq
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Sur (C) entourant conducteur
ε .(H1 + H 2 ) = J 2 = Fmax
Conservation du flux par pôle
Φ1 = Φ 2 ⇒ H 1 = H 2 ⇒ H =
2 . J  F max  1
=

2ε
 2 ε
 4  F

F1m =   max  cos pθ s
 π  2 
Le fondamental est obtenu en multipliant par 4/p
qs Angle électrique
En triphasé avec Ns spires en série par phase et pour 2p pôles et k bs ≈ 1
 4  F   N k
F1m =   max   s bs
 π  2   2 p
Et le flux par pôle :
B1m = µ 0 H 1m = µ0
π /2
Φm = 2
∫B

 cos pθs

F1m
ε
avec
1 m ds
D
D
ds = Lu. .d θs = Lu.
d ( pθs )
2p
2 
0
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Soit
Φ m1 =
3
π
2J
µ 0 .Lu. D
ε. p 2
N s k bs
Pour une phase, on a Nskbs spires (et 2p pôles) par où passent Fm 1
Flux par phase
Ψm1 = Φ m1. N s .k bs =
L=
Ψm1
2J
=
3
π
µ 0 .Lu. D
2J
ε. p 2
(N s k bs )2
3 µ0 . Lu. D
(N s k bs )2
π ε. p 2
X = Lω = 6 f
µ0 . Lu.D
ε. p 2
(N s k bs )2
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Calcul de la fmm triphasée en régime non saturé avec entrefer e non constant pour tout q
Fmm
Sur un pôle, e = e 1 pour
π
π
≤ pθ ≤ β
2
2
et e = e2 ailleurs.
−β
bp =
Soit :
e1
ap
e2
=β
τp
La distribution de B est :
B (θ s ) = µ 0
-p/2
F1 . cos ( pθ s )
ε (θ s )
0
ap
-bp/2
bp/2
pq
p/2
tp
B 1max dans l'axe du pôle D
Sur axe D
B 2m ax
B fondamental 1 = B1 max .k ' d (β )
⇒ X ad = X précédant.k ' d (β ) -p/2 -bp/2
0
pq
bp/2
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Fmm
Sur l ’axe Q
On place la fmm de
l ’axe Q. On multiple
par m0/e(q) pour avoir
B(qs) et on calcule le
flux par pôle.
e1
e2
-p/2
-bp/2
On trouve
0
ap
bp/2
p/2
pq
tp
X aq = X précédant.k ' q (β )
-p/2 -bp/2
0
bp/2
p/2
pq
k ’d et k ’q dépendent de la forme de l ’entrefer.
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Calcul des performances
•En régime permanent
Pas d ’amortisseur et le rotor est ouvert (par rapport aux enroulements stator car Fr constant). On
utilise le diagramme ou le schéma équivalent pour avoir les performances sur les axes D et Q
•En régime transitoire
Le stator est complet et le rotor considéré en court-circuit sur lui même via l ’alimentation
continue
•En régime subtransitoire
On tout avec rotor en court-circuit sur lui même et amortisseurs.
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Machine à aimant permanent
Problèmes à résoudre
1. Trouver Ev à vide (Is =0) avec aimant permanent seul. Ev(Fa aimant)
2. Trouver les réactances X à partir de I non nul ðfmm stator seule sans aimant si pas de
saturation
3. Déterminer les performances à partir des diagrammes
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Rappel sur les Aimants permanents
Les aimants permanents sont des matériaux saturables à très forte hystérésis. Ils sont appelés
"durs" par opposition aux matériaux ferro et ferrimagnétiques à cycle étroits appelés encore
"doux".
Les premiers aimants étaient constitués d'alliages à base de Al, Ni, Co, Fe dits "Alnico" moulés à
haute température et soumis à des traitements thermiques complexes.
Refroidis sous fort champ, ils deviennent magnétiquement anisotropes avec de meilleures
propriétés magnétiques dans le sens de cette induction imposée. S'ils sont laissés isotropes leurs
propriétés sont moins bonnes.
Sont apparus ensuite les ferrites qui sont des céramiques agglomérées sous pression, à base de
poudre (Fe2O3)MeO.
Le métal Me, pouvant être Cu, Mn, Zn, Ni, Co, Ba etc.... Les plus répandus sont à base de Mn et
Zn ou de Zn et Ni. Ils peuvent être isotropes ou non également et sont surtout intéressants par
leur forte résistivité (typiquement 1 m). Les ferrites constituent la classe la plus importante des
matériaux ferrimagnétiques.
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Les matériaux magnétiques sont constitués de volumes magnétiques élémentaires dit domaines de
Weiss liés à la structure du matériau et crées par le champ moléculaire qui oriente les moments
magnétiques de leurs atomes voisins dans une même direction.
Un tel domaine est représenté par son moment global sous forme d'une simple flèche.
Spontanément les domaines de Weiss s'orientent de façon quelconque, séparément, ou en
s'appariant deux à deux mais en sens inverse. Dans ce dernier cas les moments sont égaux ou
non. Sous l'action d'un champ extérieur ces domaines s'orientent en plus ou moins grand nombre
dans le sens de H , d'où la classification qui nous intéresse (figure 1.15).
r
H
r
H
ferromagnétisme
antiferromagnétisme
r
H
ferrimagnétisme
Figure 1.15. - Structure schématique des matériaux ferro et ferrimagnétiques
Enfin les derniers matériaux durs apparus sont à base de "terres rares" du tableau de classification
périodique des éléments et principalement les alliages samarium-cobalt(Smx Coy) et fer neodyme
bore (Fex Ndy Bz ).
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Utilisation et fonctionnement d ’un aimant permanent
On utilise un aimant comme source de flux en l'insérant en série dans un circuit magnétique. Si on
considère le circuit simple de la figure 1.16 où l'aimant est défini par sa géométrie (section Sa,
longueur l a) et sa caractéristique Ba (Ha ) et le circuit, supposé sans fuite, par une partie fer à
perméabilité infinie et un entrefer (Se, le ).
aimant
(C)
φa
shunt
entrefer
µfer ∞
Figure 1.16. - Utilisation d'un aimant permanent.
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Le problème consiste à trouver Ba et Ha dans l'aimant et B e, He dans l'entrefer où l'on utilise
l'induction Be .
Le théorème d'Ampère appliqué au contour moyen (c) donne :
Ha la + He le = 0
(1.16)
en supposant Ha et He dans le sens du flux φa de l'aimant.
Les caractéristiques des matériaux : Ba(Ha) de l’aimant et Be = µ0 He de l'air fournissent les
équations nécessaires pour trouver les quatre inconnues. Compte tenu de ce que Ba (Ha) n'est pas
explicite, on élimine Be et He des trois autres équations pour obtenir une seconde relation Ba (Ha )
qui permet de résoudre graphiquement dans le plan (Ba , Ha ).
Ba = − µ0 (
S e la
l
) H = − Pe a Ha = −Pe . Ra µ a H a
Sa l e a
Sa
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Cette équation est celle d’une droite (D), dite d'entrefer qui donne accès à Ba, Ha et donc à Be , He.
Elle se situe dans le second quadrant de B a(Ha) (figure 1.17) et on peut remarquer que Ha est
toujours négatif ce qui lui vaut le nom de champ de désaimantation et on caractérise alors
l'aimant, par la partie du cycle dans ce second quadrant et correspondant à la valeur du champ
rémanent Br la plus grande possible (cycle à saturation).
Le cycle est uniquement caractérisé par Br et Hc et les aimants "travaillent" donc à induction
variable lorsque la droite (D) varie du fait de la variation possible de la géométrie de l'entrefer.
Lorsqu'à partir d'un point de fonctionnement M, défini par l'intersection des caractéristiques du
circuit et de l'aimant, si (D) vient en (D'), sous l'effet d'une augmentation de l e par exemple, M
passe en M' sur B a(Ha). Si l'on revient en (D) par un retour à la valeur initiale de l e, M' vient alors
en M'' sur un cycle mineur, assimilable à une droite de pente égale à celle de la tangente en Br à la
caractéristique Ba(Ha). Ces droites sont appelées "droites de recul".
Si (D) revient en (D') alors M'' revient en M' et si (D') se couche sur l'axe des champs sous l’effet
d’une forte augmentation de l e par exemple, M' suit la caractéristique jusqu'en Hc , mais si l'on
revient ensuite à (D) Ba = est très faible. On dit que l'on a désaimanté l'aimant ( démontage du
circuit magnétique dans lequel est inséré l'aimant …).
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B
Br
(D)
M
(D')
Ba
M''
B ''a
M'
Ba''
Hc
H
Figure 1.17. - Droite d'entrefer d'un circuit à aimant et point de fonctionnement de celui-ci.
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B(T)
1,5
1
(1)
(2)
0,5
(3)
(4)
H(kA/m)
-300
-600
-100
(1) Alnico anisotrope
(2) Alnico isotrope
(3) Ferrite anisotrope
(4) Ferrite isotrope
(5) Smx CO y
Figure 1.18. - Caractéristiques de divers aimants permanents.
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Force magnétomotrice équivalente d'un aimant
En supposant que la caractéristique Ba (H a) soit linéaire, et donc d'équation :
B a = µ0(H c +H a) = µ0 Ha +Br
Dans la réalité on a Ba = ma (Hc+Ha) avec
La droite d’entrefer d'un circuit tel que celui de la figure 1.15 s’écrit Ba = −µ0
en combinant ces deux dernières équations on obtient Ba = − Pe
d'où Ba (1 + Pe
µa =
∆Ba
≈ µ0
∆H a
la S e
Ha
l e Sa
l a Ba
( − Hc )
S a µ0
la 1
H l
) = Pe c a soit avec φ a = Ba Sa , on a φa (1 + Pe Ra) = P e Hc la soit φ (R e +R a) = H c la
S a µ0
Sa
On obtiendrait la même équation pour un même flux avec un circuit géométriquement identique
et de mêmes propriétés magnétiques mais sans aimantation de l'aimant et avec une bobine
d'excitation de f.m.m. F = Ni = Hc .la f.m.m. équivalente de l'aimant. On peut donc donner un
schéma équivalent d'un aimant sous la forme série ou sous la forme parallèle selon la figure 1.20.
Bien noter que la longueur la est celle comptée dans la direction de Ha.
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φr = Br.S a
Ra
φa
Fa = Hc la
Pa
Figure 1.20. - Schémas équivalents d'un aimant permanent.
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Application à une machine
Dans fer, on suppose
m infini.
Pour trouver B(q s), on considère
pour ap=120° et e=cste
Sa
Aimant
la
l 
π 
Sa =
 D − εhes − a  L fer
3p 
2 
la =
N
( D − 2ε − D arbre )
A xe symétrie
2
S
Entrefer
Rg =
Ferrite
Fa
1 εhes
µ0 S g
Fuite
Par pôle
[
1 π
Sg = 
(D − ε ) + 2ε  L fer + 2ε
3
p


]
Pour tenir compte épanouissement du flux de l ’aimant permanent dans
l ’entrefer et ux extrémités de la machine
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Circuit électrique équivalent à vide pour trouver B(q s) du à l ’aimant sur le trajet du flux aimant
entrefer culasse (voir figure précédente)
R g
Fg/2
(entrefe r)
R f/2
Fg
Fg/2
Hc.la
Ff/2
R a
(aimant)
Fa
R f/2
Ff/2
(fuite)
Axe symétrie
Slide6a_01.drw
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ou
R g
Fg/2
(entre fe r)
Fg
Ff/2
Fg/2
Ff/2
(fuite)
Fa
P f/2
P f/2
P a
Fr
(aimant)
Axe symétrie
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Exemple : moteur brushless (sans balais et avec commutation électronique de l ’alimentation)
[Lajoie] M. Lajoie Mazenc, « Structure, alimentation et commandes des machines à aimant », 3EI95 Les
moteurs synchrones et leurs applications industrielles
Ä Brushless DC
Alimentation par créneaux de courant ou de tension.
1er cas : ap=tp c ’est à dire p électrique + alimentation triphasée par créneaux de 120°
2ème cas : a p=2.t p /3 c ’est à dire 2p/3 électrique + alimentation triphasée par créneaux de 180° en
connexion triangle ou 120° si connexion étoile
Les machines produisent un couple constant en moyenne et quelque soit la fréquence si la
commutation est parfaite par interaction de Brotor et Bstator en créneaux (d ’où enroulements plutôt
concentrés au stator) qui tornent pas pas de 60° pour avoir un recouvrement spatial de 120° des
ondes.
Elles ont des propriétés de machine à courant continu c ’est à dire :
T e = k .Φ a . I
et
E v = k .Φ a .ω r
En fait les créneaux ne sont pas parfaits. Ce sont plutôt des trapèzes d ’où le nom de machine à
fmm trapézoïdale.
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Principe de l ’alimentation en créneaux
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Ä Brushless AC
On cherche des ondes sinusoïdales. Ba(q s) est quasi sinusoïdal. L ’alimentation en courant ou en
tension est sinusoïdale d ’où enroulement stator distribué avec raccourcissement pour avoir Bs(qs)
aussi sinusoïdale.
Elles ont les propriétés des machines synchrones normales : même performances, même
diagrammes avec les deux cas de figure e=cste ou pas
Intérêt d ’une machine brushless
Vitesse variable : économie d ’énergie, transitoires adoucis, contrôle de position, vitesse
Avantages : pas de balais donc entretien réduit et accroissement durée de vie, vitesse élevée et
plage étendue, dynamique et rendement élevé, refroidissement plus facile, autosynchrones
Inconvénient : investissement plus grand (alim, capteur, commande), fiabilité des éléments plus
nombreux, désaimentation possible
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Structures
ÄMachine à induit et inducteur réparti
Chaque pôle nord et sud possède son propre système de production de flux.
Les conducteurs de l ’induit peuvent être placés dans des encoches ou directement dans
l ’entrefer.
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Inducteur
Inducteur sans pièce polaire
Inducteur avec pièce polaire
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=> Xad < Xaq
Inducteur avec pièces polaires et concentration de flux
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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
Exemple de machines à phases juxtaposées
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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
ÄMachine à induit centralisé
Les pôles nord et sud au niveau de l ’induit sont produits au moyen d ’une bobine uniqueet un
circuit magnétique ramifié
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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
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Structure et modèles des convertisseurs électromagnétiques
ÄMachine à inducteur centralisé
Il existe deux catégories de machine à inducteur centralisé :
•un seul entrefer
•deux entrefers et un induit double
Dans les deux cas, les pôles nord et sud de l ’inducteur sont produits par un aimant centrl et un
circuit magnétique ramifié
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